國(guó)家低速館建筑結(jié)構(gòu)施工測(cè)量技術(shù)研究

國(guó)家低速館建筑結(jié)構(gòu)施工測(cè)量技術(shù)研究

國(guó)家體育中心是北京2020年冬季奧運(yùn)會(huì)的象征。該設(shè)備于2018年1月起竣工，至2020年12月。測(cè)量工作貫穿于整個(gè)速滑館建筑施工過(guò)程，是結(jié)構(gòu)施工最關(guān)鍵的技術(shù)工作之一。而國(guó)家速滑場(chǎng)結(jié)構(gòu)在空間上的不規(guī)則性、多樣性、復(fù)雜性及超大規(guī)模，增加了施工測(cè)量難度。國(guó)家速滑館屋蓋結(jié)構(gòu)采用大跨度馬鞍形單層雙向正交索網(wǎng)，是目前世界上跨度最大的單層正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。超大跨度和體量的索網(wǎng)在加工、鋪索定位、張拉等過(guò)程精度要求非常高。作為營(yíng)造國(guó)家速滑館整體形象的玻璃幕墻占整個(gè)幕墻比例的90%,數(shù)量達(dá)3000余塊，且各板塊之間形態(tài)各異，單塊板最重達(dá)1.1t。板塊的吊裝及安裝過(guò)程中必須有吊裝機(jī)械全程配合，安裝精度要求極高，安裝面臨巨大挑戰(zhàn)。作為世界首個(gè)使用天然工質(zhì)CO同時(shí)，施工場(chǎng)地狹小，場(chǎng)地中的大型施工設(shè)備、運(yùn)輸車輛和重型起重機(jī)械的頻繁運(yùn)行，加之作業(yè)公司多，配合、協(xié)調(diào)、工作交圈不容易，施工測(cè)量管理和協(xié)調(diào)難度大都給測(cè)量工作帶來(lái)了很多困難。預(yù)制件制作允許偏差要求嚴(yán)格，索網(wǎng)拉升空間標(biāo)高控制點(diǎn)(線)精度要求極高，制冰排管的排布和水泥地坪的平整度直接影響制冰效果和賽事安全，諸多環(huán)節(jié)的環(huán)環(huán)相扣使得施工測(cè)量成為技術(shù)工作的重中之重。針對(duì)國(guó)家速滑館項(xiàng)目施工測(cè)量的技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)高精密三維測(cè)量是實(shí)現(xiàn)預(yù)制件精準(zhǔn)安裝、復(fù)雜封閉環(huán)境下精準(zhǔn)定位、海量數(shù)據(jù)精準(zhǔn)建模的前提和基礎(chǔ)1測(cè)量精度指標(biāo)施工測(cè)量工作貫穿于整個(gè)速滑館結(jié)構(gòu)施工過(guò)程。施工過(guò)程中不斷進(jìn)行高精度的測(cè)量和校正，并確保索網(wǎng)在負(fù)載狀態(tài)下能夠絲毫不差地達(dá)到預(yù)定空間位置、屋頂預(yù)制件精準(zhǔn)安裝到設(shè)計(jì)位置、復(fù)雜網(wǎng)狀排管排布狀態(tài)的精準(zhǔn)獲取、超大地坪連續(xù)面標(biāo)高的超高精度數(shù)據(jù)采集，是保證該工程結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量與工程進(jìn)度的關(guān)鍵。國(guó)家速滑館項(xiàng)目中各項(xiàng)目測(cè)量精度指標(biāo)見(jiàn)表1。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)精度受環(huán)境影響因素大，觀測(cè)點(diǎn)離散難以滿足無(wú)盲區(qū)應(yīng)用，數(shù)據(jù)不連續(xù)不能滿足大型結(jié)構(gòu)整體應(yīng)用1.1現(xiàn)代機(jī)械結(jié)構(gòu)馬鞍形單層正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系的一種。該結(jié)構(gòu)具有跨度大、受力效率高、自重輕、減少鋼材消耗等特點(diǎn)。隨著索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)跨度越來(lái)越大，給施工帶來(lái)的難度也隨之增加1.1.1釩封閉索風(fēng)險(xiǎn)國(guó)家速滑館整體采用國(guó)產(chǎn)高釩密閉索，也是首次在大型公共建筑中全部采用國(guó)產(chǎn)高釩封閉索。高釩封閉索具有高耐腐蝕性、防火性、防扭退性、摩擦系數(shù)大的特點(diǎn)。索網(wǎng)隨著拉力變化會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)拉力超過(guò)一定界限索體會(huì)發(fā)生崩裂。為了在保障索網(wǎng)安全的情況下精準(zhǔn)計(jì)算索網(wǎng)長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)加工，該項(xiàng)目通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模擬方法采用按索體最小破斷載荷的55%的張力進(jìn)行預(yù)張拉1.1.2成功拉索地震波分析技術(shù)本文利用三維激光掃描技術(shù)進(jìn)行速滑館全空間數(shù)據(jù)采集，建立拉索和索夾地面投影精準(zhǔn)放樣模型1.1.3穩(wěn)定索張拉安裝按照等距離30mm進(jìn)行預(yù)張拉的原則進(jìn)行穩(wěn)定索對(duì)稱張拉；穩(wěn)定索索孔與對(duì)應(yīng)耳板孔距離較小的先張拉到位，為保證施工安全，將到位拉索穿銷軸固定；按照該方法繼續(xù)進(jìn)行穩(wěn)定索張拉安裝。該技術(shù)保證了30對(duì)、最長(zhǎng)198m的穩(wěn)定索對(duì)稱同步張拉，如圖1(b)所示，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)首個(gè)大噸位、大面積的超大跨度單層正交索網(wǎng)同步張拉技術(shù)空白。1.1.4索網(wǎng)數(shù)據(jù)的可靠性分析索網(wǎng)同步張拉前后，可以清晰地看出索網(wǎng)所在的點(diǎn)云，充分說(shuō)明了點(diǎn)云數(shù)據(jù)的可靠性，其所在索網(wǎng)能夠用于設(shè)計(jì)模型的測(cè)量工作。索網(wǎng)張拉過(guò)程中，屋面恒載及吊掛荷載隨著屋面各系統(tǒng)施工逐步加載到位。針對(duì)荷載態(tài)的索網(wǎng)進(jìn)行激光掃描，以校核施工設(shè)計(jì)誤差。1.2單元式圍護(hù)結(jié)構(gòu)精密工程測(cè)量針對(duì)天壇形曲面幕墻與馬鞍形單元式屋面依附于柔性索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，突破特大異形柔性結(jié)構(gòu)屋頂預(yù)制、安裝和調(diào)控精密測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)，基于實(shí)體結(jié)構(gòu)對(duì)圍護(hù)系統(tǒng)逆向建模并加工，通過(guò)調(diào)節(jié)幕墻S形鋼龍骨和單元板塊屋面高精度支座，保證了單元式圍護(hù)結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)安裝，實(shí)現(xiàn)了柔性結(jié)構(gòu)上單元式圍護(hù)結(jié)構(gòu)精密工程測(cè)量從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)、離散到連續(xù)的轉(zhuǎn)變?；趯?shí)體掃描測(cè)量的異形圍護(hù)結(jié)構(gòu)逆向建模及加工技術(shù)，主要有主體結(jié)構(gòu)實(shí)體掃描復(fù)測(cè)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)逆向建模、單元式構(gòu)件加工。(1)拉索變形軌跡檢驗(yàn)第1階段在索網(wǎng)張拉完成后立刻進(jìn)行豎向拉索平面投影的定位復(fù)測(cè)工作，驗(yàn)證拉索在張拉過(guò)程中的變形軌跡是否按符合理論計(jì)算；第2階段在屋面配重附加且環(huán)桁架支座鎖定后，對(duì)豎向拉索索夾位置及環(huán)桁架預(yù)制埋件進(jìn)行復(fù)測(cè)，以確定S形鋼龍骨支座牛腿的尺寸長(zhǎng)度及模型是否需要調(diào)整。(2)反向建設(shè)和國(guó)防設(shè)計(jì)通過(guò)掃描結(jié)構(gòu)實(shí)體，生成實(shí)測(cè)點(diǎn)位模型，依據(jù)實(shí)際點(diǎn)位進(jìn)行S形鋼龍骨BIM定位及深化，提高鋼結(jié)構(gòu)加工可控性和可操作性，質(zhì)量更易保障。(3)單元板塊安裝控制所有幕墻龍骨、玻璃、屋面單元板塊及相關(guān)配件均由BIM模型提取并對(duì)接到加工中心進(jìn)行加工制造。異形單元式圍護(hù)結(jié)構(gòu)高精度安裝技術(shù)主要有：幕墻S形鋼龍骨高精度調(diào)節(jié)、雙曲面玻璃幕墻容差安裝、屋面單元板塊安裝。幕墻所有S形鋼龍骨定位依據(jù)環(huán)桁架鎖定后結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)定位，從而保證幕墻整體的準(zhǔn)確性。研究幕墻安裝過(guò)程中變形和幕墻的容差機(jī)制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜雙曲面玻璃幕墻效果。單元板塊從索網(wǎng)對(duì)角穿時(shí)，需要精準(zhǔn)控制板塊起吊位置及吊車大臂的落點(diǎn)位置。吊車支車時(shí)，每個(gè)位置都要根據(jù)起吊尺寸、對(duì)角線關(guān)系計(jì)算，以選擇合適的支車位置及出桿角度。通過(guò)對(duì)S形鋼龍骨和幕墻索連接點(diǎn)調(diào)差機(jī)制的研究和精準(zhǔn)測(cè)控，實(shí)現(xiàn)S形鋼龍骨與幕墻索精準(zhǔn)對(duì)接安裝(如圖2所示),使曲面玻璃幕墻的加工與現(xiàn)場(chǎng)安裝精準(zhǔn)統(tǒng)一。1.3控制網(wǎng)和水平控制網(wǎng)通過(guò)速滑館內(nèi)原有的兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)做水平控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)；通過(guò)高程控制網(wǎng)和水平控制網(wǎng)選取6個(gè)控制點(diǎn)；利用全站儀后方交會(huì)并測(cè)量棱鏡球的中心坐標(biāo)，棱鏡中心和靶球中心為同一位置結(jié)合場(chǎng)館內(nèi)布設(shè)的控制網(wǎng)獲取制冰排管高分辨率的空間結(jié)構(gòu)信息、紋理色彩及回波反射強(qiáng)度等信息1.4傳統(tǒng)慣導(dǎo)測(cè)量方法特征及與現(xiàn)有測(cè)量路線結(jié)合性原則，針對(duì)待測(cè)場(chǎng)地面對(duì)速滑場(chǎng)地混凝土地坪澆筑施工過(guò)程中需實(shí)時(shí)獲取平整度的需求，傳統(tǒng)慣導(dǎo)測(cè)量方法受限于封閉場(chǎng)館室內(nèi)信號(hào)弱、實(shí)施難在超大地坪的施工期，根據(jù)待測(cè)場(chǎng)地地面的面積、形狀及其他特點(diǎn)，規(guī)劃測(cè)量路線，需要滿足全覆蓋、網(wǎng)狀交叉、閉合、分區(qū)等原則2高精度測(cè)量施工技術(shù)速滑館玻璃幕墻有21排，共3360塊，其中彎弧玻璃1120塊，共18970m在對(duì)掃描模型進(jìn)行封裝后，將索網(wǎng)模型與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)際施工模型整體精度較好，形態(tài)與設(shè)計(jì)模型基本吻合。通過(guò)分析索網(wǎng)掃描文件及設(shè)計(jì)模型，可以基本確定索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的誤差絕大部分在5mm以內(nèi)，其余極小部分節(jié)點(diǎn)誤差在10mm以內(nèi)，如圖8所示。通過(guò)三維掃描技術(shù)復(fù)核，本文驗(yàn)證了索網(wǎng)成套測(cè)量方法的正確性，該技術(shù)的應(yīng)用最終實(shí)現(xiàn)了大跨度馬鞍形索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的安全精準(zhǔn)成型。國(guó)家速滑館制冰區(qū)利用全站儀、三維激光掃描等測(cè)量設(shè)備對(duì)制冷排管進(jìn)行檢測(cè)，獲得數(shù)據(jù)并結(jié)合自主研發(fā)軟件完成了制冷排管點(diǎn)云采集、排管安裝翹曲檢測(cè)、排管安裝水平偏移量檢測(cè)等調(diào)查成果。通過(guò)對(duì)10個(gè)區(qū)域的點(diǎn)云采集及80365個(gè)檢測(cè)位置的數(shù)據(jù)分析，并去掉人工影響數(shù)據(jù)和無(wú)效數(shù)據(jù)，得到翹曲平均平差值為3.047mm,施工期有近3%的檢測(cè)位置偏差大于5mm。如圖9所示。根據(jù)施工期檢測(cè)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，在調(diào)整后的排管區(qū)域選取2～4個(gè)數(shù)據(jù)最差的測(cè)站進(jìn)行復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)檢測(cè)共提取11514個(gè)檢測(cè)位置的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析得到翹曲平均平差值為1.82mm,復(fù)測(cè)掃描檢測(cè)成果位置偏差均小于5mm。為指導(dǎo)國(guó)家速滑館冰面混凝土基底的磨光作業(yè)，在項(xiàng)目施工期混凝土基底達(dá)到初凝狀態(tài)后，采用本次研究研制的托盤(pán)測(cè)量機(jī)器人對(duì)初凝狀態(tài)水泥基底平整度進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果顯示，施工水泥基面的高程在平均高程的±4mm范圍內(nèi)波動(dòng)，超過(guò)90%的測(cè)點(diǎn)滿足5m范圍3mm的精度，滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。如圖10所示。在施工期高精度測(cè)量指導(dǎo)下完成混凝土施工后，采用推車系統(tǒng)對(duì)整個(gè)場(chǎng)館進(jìn)行平整度完工測(cè)量，其具體實(shí)施步驟與施工期類似。但為了使測(cè)量結(jié)果更真實(shí)地反映地坪表面的真實(shí)情況，完工期的側(cè)線密度需要加大，測(cè)線間距需縮小至2m。完工測(cè)量平整度計(jì)算方法與施工期一致。測(cè)量數(shù)據(jù)顯示場(chǎng)地整體的平整度在5m范圍內(nèi)高差≤3mm的比例超過(guò)99.5%。施工效果與預(yù)期符合。如圖11所示。3動(dòng)態(tài)高精度施工測(cè)量技術(shù)體系的構(gòu)建針對(duì)2022年北京冬奧會(huì)大型冰上運(yùn)動(dòng)比賽場(chǎng)館建設(shè)過(guò)程中對(duì)動(dòng)態(tài)高精度施工測(cè)量的重大需求，本文研究并實(shí)現(xiàn)了大跨度馬鞍形索網(wǎng)精準(zhǔn)加工安裝測(cè)量、基于柔性框架的異形單元式圍護(hù)結(jié)構(gòu)高精度誤差調(diào)控、超大速滑場(chǎng)地復(fù)雜環(huán)境下制冰排管形態(tài)高精度檢測(cè)、超大冰面混凝土地坪超高精度連續(xù)標(biāo)高面快速測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了動(dòng)態(tài)高精度施工